Фантомная визуализация с использованием псевдотеплового источника в широкополосном терагерцовом диапазоне тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Исмагилов Азат Олфатович

• Исмагилов Азат Олфатович
• кандидат наук
• 2023

Оглавление диссертации кандидат наук Исмагилов Азат Олфатович

Оглавление

Реферат

Synopsis

Введение

ГЛАВА 1. Литературный обзор методов фантомной и

терагерцовой визуализации

1.1 Методы фантомной визуализации на псевдотепловых источниках

1.2 Области применения фантомной визуализации

1.3 Методы визуализации при работе с терагерцовым излучением

1.3.1 Пассивная визуализация

1.3.2 Активная визуализация

1.3.3 Традиционная сканирующая терагерцовая визуализация

1.3.4 Электрооптическое измерение в свободном пространстве

1.3.5 Терагерцовая визуализация чирпированным пробным

лучом

1.4 Методы фантомной визуализации в терагерцовом диапазоне

1.5 Методы ускорения фантомной визуализации

1.6 Выводы

ГЛАВА 2. Исследование применения широкополосного терагерцового изучения для фантомной

визуализации с псевдотепловым источником

2.1 Математическое моделирование формирования спекл-структур широкополосным терагерцовым излучением

2.2 Статистические характеристики спекл-структур формируемых широкополосным терагерцовым излучением

2.3 Экспериментальная верификация формирования спекл-структур широкополосным терагерцовым излучением

2.4 Демонстрация алгоритма фантомной визуализации с использованием псевдотеплового источника на основе широкополосного терагерцового излучения

2.5 Выводы по главе

ГЛАВА 3. Метод мультиплексирования для случая фантомной визуализации при использовании широкополосного терагерцового излучения

3.1 Экспериментальная апробация метода формирования различных спекл-структур на отдельных спектральных компонентах широкополосного терагерцового излучения

3.2 Реализация мультиплексирования для восстановления изображений методом фантомной визуализации в широкополосном терагерцовом диапазоне

3.3 Выводы по главе

ГЛАВА 4. Зависимость качества восстановления изображения от используемых частотных диапазонов в случае мультиплексной терагерцовой фантомной визуализации

4.1 Восстановление изображения методом мультиплексной терагерцовой фантомной визуализации при использовании

разных частотных диапазонов

4.2 Оценка качества восстановленных изображений

4.3 Выводы по главе

ГЛАВА 5. Источник жидкостного струйного генератора

широкополсного излучения терагерцового диапазона

5.1 Описание жидкостного источника ТГц излучения

5.2 Возможности работы с системой

5.2.1 Оптимальные температурные условия жидкости для работы системы

5.2.2 Эффективность преобразования оптического сигнала в

ТГц для различных жидкостей

5.3 Выводы по главе

Заключение

Список сокращений и условных обозначений

Словарь терминов

Список литературы

Благодарности

Тексты публикаций

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Фантомная визуализация с использованием псевдотеплового источника в широкополосном терагерцовом диапазоне»

Реферат

Фантомная визуализация это подход, основанный на концепции однопиксель-ного детектирования, который может быть использован для восстановления изображения неизвестного объекта с помощью корреляций между пространственным распределением интенсивности падающего излучения и интенсивностью излучения, прошедшего через объект. Восстановление изображения методом фантомной визуализации в оптическом диапазоне электромагнитного излучения проводилась как с классическими источниками света (фантомная визуализация) [1], так и с парами запутанных фотонов (квантовая визуализация) [2]. Однако так называемый "вычислительный"метод фантомной визуализации, в котором используется однопиксельный детектор в комбинации с пространственным модулятором света (БЬМ) хорошо зарекомендовал себя [3]. Возможность восстановления изображений в шумоподобных системах и другие преимущества фантомной визуализации позволяют использовать метод в криптографии [4], контроле качества [5], обнаружении объектов [6]. Более того, внедрение фантомной визуализации продолжается, и на данный момент ее приложения обновляются [7].

Терагерцовая (ТГц) визуализация является активно развивающейся областью технологий [8]. Неинвазивность и возможности измерения спектров различных объектов являются уникальными особенностями терагерцового излучения. В терагерцовой визуализации в зависимости от типов используемых источников излучения выделяют непрерывный и импульсный режимы [9]. Так, например матричные 2Э-детекторы [10; 11] и линейные матрицы детекторов [12; 13] часто используются в непрерывных ТГц-визуализаторах, методах растрового сканирования в фокальной плоскости [14; 15], голографических [16; 17], в освою очередь однопиксельные методы [18-20] получили большое развитие при работе с импульсным терагерцовым излучением. Многие из подходов, использующих импульсное терагерцовое излучение, имеют одну общую черту: интегрирующий детектор без пространственного разрешения. Это вызвано

отсутствием достаточно высокоэнергетичных широкополосных источников импульсного терагерцового излучения. Были предложены различные вариации: сжатое зондирование на основе набора случайных масок [21], подход на основе обратного преобразования Радона с вращающейся апертурой в плоскости Фурье [18], наклонный замедлитель фазы [19] и вращающийся диск со случайной маской [22]. Предложены также методы реконструкции изображений, использующие пространственную световую модуляцию лазерного луча: при генерации терагерцового излучения [23] и регистрации [24].

Хорошим примером реализации подхода к пассивному формированию луча является работа [25], где двоичная амплитудная модуляция терагерцовых волн была реализована с помощью вращающегося диска. Дальнейшее развитие данной концепции формирования луча в терагерцовом диапазоне частот основана на использовании фазового рассеивателя с многоуровневым квантованием вместо двоичного амплитудного.

Использование фазовой маски, в отличие от амплитудной, позволяет уменьшить потери и без того слабого терагерцового излучения и дополнительно позволяет увеличить соотношение сигнал/шум. Количество необходимых измерений для восстановления изображения также довольно велико, как и в оптическом диапазоне.

Высокий интерес к системам визуализации на основе широкополосного те-рагерцового излучения, а также задачи по оптимизации методов фантомной визуализации в данном спектральном диапазоне стимулирует проведение исследования таких методов визуализации.

Цель и задачи диссертационной работы

Целью диссертационной работы является разработка и исследование принципов получения изображений объектов методом фантомной визуализации с использованием псевдотеплового источника в широкополосном терагерцовом диапазоне электромагнитного излучения. Основными задачами работы было проведение следующих исследований:

1. Исследование процесса формирования спекл-структур при распространении широкополосного терагерцового излучения через прозрачные объекты со случайной фазовой неоднородностью методами чиссленого моделирования.

2. Экспериментальная аппробация формирования спекл-структур при распространении широкополосного терагерцового излучения через прозрачные объекты со случайной фазовой неоднородностью.

3. Реализация метода фантомной визуализацции с использованием спекл-структур полученных при распространении широкополосного терагерцового излучения через прозрачные объекты со случайной фазовой неоднородностью.

4. Исследование процесса формирования спекл-структур на отдельных спектральных компонентах при распространении широкополосного терагерцового излучения через прозрачные объекты со случайной фазовой неоднородностью.

5. Численное моделирование и экспериментальная аппробация восстановления изображений фантомной визуализацией при использовании метода мультиплексирования спекл-структур, формируемых широкополосным терагерцового излучением.

6. Выявление особенностей использования различных диапазонов широкополосного терагерцового излучения при реализации мультиплексной фантомной визуализации.

Методы исследования использованные в работе включают в себя следующие подходы:

1. Использование уравнений теории дифракции Френеля, а также методов углового спектра для моделирования процессов формирования спекл-структур при распространении широкополосного терагерцового излучения с прозрачным фазово-неоднородным объектом.

2. Использование методов фантомной визуализации, для восстановления изображений на основе формируемых спекл-структур и значений, полученных с помощью интегрирующего однопиксельного детектора.

3. Использование эффекта оптического выпрямления фемтосекундного импульса в кристалле ниобата лития лигированного оксидом магния в качестве

источника терагерцового излучения.

4. Использование техник электрооптического детектирования для экспериментальной апробации формирования спекл-структур при распространении широкополосного терагерцового излучения через фазово-неоднородные пластинки.

5. Использование индекса структурного сходства, а также значений коэффициента корреляции между изображениями для оценки качества изображения, восстановленного методом фантомной визуализации, и для оценки сходства между спекл-структурами, формируемыми на отдельных спектральных компонентах широкополосного терагерцового излучения при его распространении через фазово-неоднородные пластинки.

Программный код для моделирования представленых подходов выполнялся в пакете программ Matlab. Анализ полученных данных выполнялся при использовании Matlab и Origin (OriginLab).

Научная новизна результатов диссертационной работы заключается в том, что впервые:

1. Получены зависимости статистических параметров спекл-структур, формируемых при распространении широкополосного терагерцового излучения через прозрачный объект со случайной фазовой неоднородностью от параметров диффузора и используемого излучения.

2. Получены экспериментальные изображения спекл-структур, формируемых при распространении широкополосного терагерцового излучения через прозрачный объект со случайной фазовой неоднородностью, статистические параметры которых совпадают с результатами численных вычислений.

3. При использовании численных методов показано, что при распространении широкополосного терагерцвого излучения через прозрачный объект со случайной фазовой неоднородностью, количество различных спекл-структур с заданным коэффициентом корреляции, формируемых на отдельных спектральных компонентах, определяется коэффициентом показателя преломления среды, параметрами неоднородности структуры и расстоянием до объекта,

на которое распространяется излучение и визуализируется пространственное распределение поля.

4. Показано, что в случае мультиплексной терагерцовой фантомной визуализации возможно увеличение индекса структурного сходства между эталонным и восстановленным изображениями за счёт использования спекл-структур сформированных высокочастотными компонентами широкополосного терагерцового излучения, размер спеклов которых меньше или равен минимальному размеру элементов объекта.

Практическая значимость полученных результатов состоит в следующем:

1. Предложена экспериментальная реализации фантомной визуализации на основе псевдотеплового источника при использовании широкополосного тера-герцового излучения.

2. Предложенная оптическая схема позволит ускорить процесс восстановления изображения методом мультиплексной фантомной визуализации, обеспечивая возможность использование таких систем при диагностике динамических процессов.

3. Представленные реализации позволят использовать методы терагерцовой фантомной визуализации в устройствах неразрушающего контроля и системах обеспечения безопасности и передачи информации.

4. Результаты исследований имеют большое значение для развития отечественной оптической промышленности в целом, но также имеют большое значение для решения фундаментальных задач фотоники.

Основные положения выносимые на защиту Первое положение.

При распространении широкополосного терагерцового излучения с гауссовым профилем пучка по амплитуде, состоящего из нескольких колебаний поля с шириной спектра более 1 октавы, через прозрачные неоднородные фазовые пластинки со случайной шероховатой поверхностью по одной стороне с нормаль-

ным распределением значений высот и корреляционных длин в диапазоне от десятых долей до единиц центральной длины волны используемого излучения при показателе преломления пластинки в диапазоне от 1,5 до 1,7, происходит наложение спекл-структур от отдельных спектральных компонент терагерцо-вого поля, приводящее к формированию интегральной спекл-структуры для используемого спектрального диапазона. Второе положение.

Метод спектрального мультиплексирования для фантомной визуализации при работе с псевдотепловым широкополосным источником в терагерцовой области спектра позволяет уменьшить количество необходимых измерений в корень из количества различных спекл-структур, сформированных на отдельных частотных компонентах терагерцового поля при распространении коллимированного пучка с гауссовым распределением амплитуды через неоднородный случайный фазовый объект, при этом количество различных спекл-структур с заданным коэффициентом корреляции определяется коэффициентом показателя преломления среды, параметрами неоднородности структуры и расстоянием до объекта, на которое распространяется излучение и визуализируется пространственное распределение поля. Третье положение.

Наличие максимума у значения индекса структурного сходства между эталонным и восстановленным изображениями в мультиплексной терагерцовой фантомной визуализации при фиксированном количестве измерений обусловлено его увеличением при сдвиге длинноволновой границы спектра псевдотеплового источника широкополосного терагерцового излучения в коротковолновую область за счёт соответствия среднего диаметра спекл-структур размеру минимальных деталей восстанавливаемого объекта, и при этом его уменьшением в корень из количества спекл-структур, формируемых на разных частотных компонентах, отбрасываемых при сужении спектрального диапазона.

Достоверность

Достоверность научных положений, представленных в диссертации, подтверждается ясной физической трактовкой полученных результатов. Данные результаты согласуются с результатами других авторов, а также прошли независимые экспертные оценки рецензентов научных журналов и конференций, в которых опубликованы статьи и представлены доклады, содержащие результаты работы.

Личный вклад автора

Содержание диссертации и основные положения, выносимые на защиту, отражают персональный вклад в опубликованные работы. Сборка экспериментальных измерительных стендов, проведение измерений, моделирование и обработкаполученных результатов проводилась лично автором. Обсуждение результатов и подготовка к публикации полученных результатов проводилась совместно с соавторами, при это вклад диссертанта был определяющим. Общая постановка цели и задач исследований в рамках диссертационной работы проведена совместно с научным руководителем, доктором физико-математических наук Антоном Николаевичем Цыпкиным.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы из 160 источников. Работа изложена на 213 страницах и содержит 35 рисунка.

Заключение диссертации по теме «Другие cпециальности», Исмагилов Азат Олфатович

ВЫВОДЫ

При реализации техники мультиплексной те-рагерцовой фантомной визуализации необходимо учитывать влияние используемых спектральных компонент широкополосного излучения. Увеличение индекса структурного сходства между эталонным и восстановленным изображениями возможно за счёт использования высокочастотных компонент широкополосного терагерцового излучения, что, в свою очередь, связано с соотношением размеров спеклов, формируемых на используемых частотах, к минимальному размеру элементов объекта. Однако излишнее сужение используемого спектрального диапазона приводит к ухудшению качества восстановленного изображения за счёт уменьшения общего количества спекл-структур. Так, например, при восстановлении объекта радиальная мира "Siemens star" с минимальным размером 0,4 мм, а максимальным — 1,5 мм, индекс структурного сходства за 300 итераций для диапазона 0,2-1,2 ТГц составил 0,06, для диапазона 0,7-1,2 ТГц составил 0,26, а для диапазона 1,0-1,2 ТГц составил 0,22. Для конкретных задач задание необходимого значения индекса структурного сходства между эталонным и восстановленным изображениями позволяет определить оптимальный спектральный диапазон для реализации метода мультиплексной терагерцовой фантомной визуализации.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Исмагилов Азат Олфатович, 2023 год

СПИСОК ИСТОЧНИКОВ

1. Valu sis G., Lisauskas A., Yuan H. et al. Roadmap of terahertz imaging 2021 // Sensors. Multidisciplinary Digital Publishing Institute. 2021. V. 21. № 12. P. 4092. https://doi.org/10.3390/s21124092

2. Naftaly M., Miles R.E. Terahertz time-domain spectroscopy for material characterization // Proc. IEEE. 2007. V. 95. № 8. P. 1658-1665. https://doi.org/ 10.1109/JPR0C.2007.898835

3. Smolyanskaya O.A., Chernomyrdin N.V., Konovko A.A. et al. Terahertz biophotonics as a tool for studies of dielectric and spectral properties of biological tissues and liquids // Prog. Quantum Electron. 2018. V. 62. P. 1-77. https://doi.org/10.1016/j.pquantelec. 2018.10.001

4. Sirro S., Odlyanitskiy E., Portieri A. et al. TeraPulse Lx for terahertz imaging of painting on canvas // J. Phys. Conf. Ser. IOP Publishing. 2021. V. 1866. № 1. P. 012004. https://doi.org/10.1088/1742-6596/ 1866/1/012004

5. Guillet J. P., Roux M., Wang K., Ma X. et al. Art painting diagnostic before restoration with terahertz and millimeter waves // J. Infrared Millim. Terahertz Waves. 2017. V. 38. № 4. P. 369-379. https://doi.org/ 10.1088/1742-6596/1866/1/012004

6. Elayan H., Amin O., Shubair R.M., Alouini M.S. Terahertz communication: The opportunities of wireless technology beyond 5G // 2018 International Conference on Advanced Communication Technologies and Networking (CommNet). 2018. P. 1-5. https://doi. org/10.1109/COMMNET.2018.8360286

7. Liu X., Melnik M., Zhukova M. et al. Formation of gigahertz pulse train by chirped terahertz pulses interference // Sci. Rep. Nature Publishing Group.

2020. V. 10. № 1. P. 9463. https://doi.org/10.1038/ s41598-020-66437-4

8. Zhu Y.L., She R.B., Liu W.Q. et al. Deep learning optimized terahertz single-pixel imaging // IEEE Trans. Terahertz Sci. Technol. 2022. V. 12. № 2. P. 165-172. https://doi.org/10.1109/TTHZ.2021.3132160

9. Zhang A.X., He Y.H., Wu L.A. et al. Tabletop x-ray ghost imaging with ultra-low radiation // Optica. Optica Publishing Group. 2018. V. 5. № 4. P. 374-377. https://doi.org/10.1364/OPTICA.5.000374

10. Zhang Y., Li W., Wu H. et al. High-visibility underwater ghost imaging in low illumination // Opt. Commun. 2019. V. 441. P. 45-48. https://doi.org/10.1016/j.optcom.2019. 02.036

11. Shi X., Huang X., Nan S. et al. Image quality enhancement in low-light-level ghost imaging using modified compressive sensing method // Laser Phys. Lett. IOP Publishing, 2018. V. 15. № 4. P. 045204. https:// doi.org/10.1088/1612-202X/aaa5f6

12. Padgett M.J., Boyd R.W. An introduction to ghost imaging: quantum and classical // Philos. Trans. R. Soc. Math. Phys. Eng. Sci. Royal Society. 2017. V. 375. № 2099. P. 20160233. https://doi.org/10.1098/rsta. 2016.0233

13. Bromberg Y., Katz O., Silberberg Y. Ghost imaging with a single detector // Phys. Rev. A. American Physical Society. 2009. V. 79. № 5. P. 053840. https://doi. org/10.1103/PhysRevA.79.053840

14. Wu D., Luo J., Huang G. et al. Imaging biological tissue with high-throughput single-pixel compressive holography // Nat. Commun. Nature Publishing Group.

2021. V. 12. № 1. P. 4712. https://doi.org/10.1038/ s41467-021-24990-0

15. Peller J., Farahi F., Trammell S.R. Hyperspectral imaging system based on a single-pixel camera design for detecting differences in tissue properties // Appl. Opt. Optica Publishing Group. 2018. V. 57. № 27. P. 7651-7658. https://doi.org/10.1364/AO.57. 007651

16. Yamanaka M., Hayakawa N., Nishizawa N. High-spatial-resolution deep tissue imaging with spectral-domain optical coherence microscopy in the 1700 nm spectral band // J. Biomed. Opt. SPIE, 2019. V. 24. № 7. P. 070502. https://doi.org/10.1117/1.JBO.24.7. 070502

17. Shen H., Gan L., Newman N. et al. Spinning disk for compressive imaging // Opt. Lett. Optica Publishing Group. 2012. V. 37. № 1. P. 46-48. https://doi.org/ 10.1364/OL.37.000046

18. Lenets V.A., Kuznetsov S.A., Sayanskiy A.D. et al. Manipulation with terahertz wave fronts using self-complementary metasurfaces // 2020 Fourteenth International Congress on Artificial Materials for Novel Wave Phenomena (Metamaterials). 2020. P. 294296. https://doi.org/10.1109/Metamaterials49557.2020. 9285140

19. Leibov L., Ismagilov A., Zalipaev V. et al. Speckle patterns formed by broadband terahertz radiation and their applications for ghost imaging // Sci. Rep. Nature Publishing Group. 2021. V. 11. № 1. P. 20071. https://doi.org/10.1038/s41598-021-99508-1

20. Valles A., He J., Ohno S. et al. Broadband highresolution terahertz single-pixel imaging // Opt. Express. Optica Publishing Group. 2020. V. 28. № 20. P. 28868-28881. https://doi.org/10.1364/OE.404143

21. Ismagilov A., Lappo-Danilevskaya A., Grachev Y. et al. Ghost imaging via spectral multiplexing in the broadband terahertz range // J. Opt. Soc. Am. B. 2022. V. 39. № 9. P. 2335. https://doi.org/10.1364/JOSAB. 465222

22. Deng C., Suo J., Wang Y. et al. Single-shot thermal ghost imaging using wavelength-division multiplexing // Appl. Phys. Lett. American Institute of Physics. 2018. V. 112. № 5. P. 051107. https://doi. org/10.1063/1.5001750

23. Zhang D.J., Li H.G., Zhao Q.L. et al. Wavelength-multiplexing ghost imaging // Phys. Rev. A. American Physical Society. 2015. V. 92. № 1. P. 013823. https:// doi.org/10.1103/PhysRevA.92.013823

24. Artser I., Melnik M., Ismagilov A. et al. Radiation shift from triple to quadruple frequency caused by the interaction of terahertz pulses with a nonlinear Kerr medium // Sci. Rep. Nature Publishing Group. 2022. V. 12. № 1. P. 9019. https://doi.org/10.1038/s41598-022-13445-1

25. Petrov N.V., Pavlov P.V., Malov A.N. Numerical simulation of optical vortex propagation and reflection by the methods of scalar diffraction theory // Quantum Electronics. IOP Publishing. 2013. V. 43. № 6. P. 582. https://doi.org/10.1070/QE2013v043n06ABEH015190

26. Goodman J.W. Speckle phenomena in optics: Theory and applications. Greenwood Village: Roberts and Company Publishers, 2007. 422 p.

27. Grachev Y.V., Kokliushkin V.A., Petrov N.V. Open-source 3D-printed terahertz pulse time-domain holographic detection module // Appl. Opt. Optica Publishing Group. 2022. V. 61. № 5. P. B307-B313. https://doi.org/10.1364/AO.444979

28. Horstmeyer R., Heintzmann R., Popescu G. et al. Standardizing the resolution claims for coherent microscopy // Nat. Photonics. Nature Publishing Group. 2016. V. 10. № 2. P. 68-71. https://doi.org/10.1038/ nphoton.2015.279

29. Wang Z., Bovik A. C., Sheikh H. R., Simoncelli E. P. Image quality assessment: from error visibility to structural similarity // IEEE Trans. Image Process. 2004. V. 13. № 4. P. 600-612. https://doi.org/10.1109/ TIP.2003.819861